Реферат Биотехнология 3
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Министерство образования Российской Федерации
Сибирский Государственный Технологический Университет
Кафедра Физиологии
РЕФЕРАТ
На тему: Биотехнология.
Выполнил: Студент гр.32-6
Мулява Владимир Валерьевич
Проверила:Сунцова Людмила Николаевна
Красноярск 2001г.
Содержание
ВВЕДЕНИЕ. 3
БИОТЕХНОЛОГИЯ НА СЛУЖБЕ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА, ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И НАУКИ 5
1. Биотехнология и сельское хозяйство. 5
Биотехнология и растениеводство. 5
Биотехнология и животноводство. 10
2. Технологическая биоэнергетика. 11
Получение этанола как топлива. 11
Получение метана и других углеводородов. 12
Получение водорода как топлива будущего. 13
Пути повышения эффективности фотосинтетических систем. 14
Биотопливные элементы. 14
3. Биотехнология и медицина. 15
Антибиотики. 15
Гормоны. 17
Интерфероны, интерлейкины, факторы крови. 18
Моноклокальные антитела и ДНК-или РНК-пробы. 19
Рекомбинантные вакцины и вакцины-антигены. 20
Ферменты медицинского назначения. 21
4. Биотехнология и пищевая промышленность. 21
5. Биогеотехнология. 24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 25
Список используемой литературы. 27
ВВЕДЕНИЕ
С древних времен известны отдельные биотехнологические процессы, используемые в различных сферах практической деятельности человека. К ним относятся хлебопечение, виноделие, приготовление кисло-молочных продуктов и т. д. Однако биологическая сущность этих процессов была выяснена лишь в XIX в., благодаря работам Л. Пастера. В первой половине XX в. сфера приложения биотехнологии пополнилась микробиологическим производством ацетона и бутанола, антибиотиков, органических кислот, витаминов, кормового белка.
Немаловажный вклад в биотехнологические разработки внесли советские исследователи: в СССР в 30-е годы были построены первые заводы по получению кормовых дрожжей на гидролизатах древесины, сельскохозяйственных отходах и сульфитных щелоках, под руководством В. Н. Шапошникова успешно внедрена технология микробиологического производства ацетона и бутанола. Большую роль в создание основ отечественной биотехнологии внесло учение Шапошникова о двухфазном характере брожения. В 1926 г. в СССР были исследованы биоэнергетические закономерности окисления углеводородов микроорганизмами. В последующие годы биотехнологические разработки широко использовались в нашей стране для расширения «ассортимента» антибиотиков для медицины и животноводства, ферментов, витаминов, ростовых веществ, пестицидов.
С момента создания в 1963 г. Всесоюзного научно-исследовательского института биосинтеза белковых веществ в нашей стране налаживается крупнотоннажное производство богатой белками биомассы микроорганизмов как корма. В 1966 г. микробиологическая промышленность была выделена в отдельную отрасль (Главное управление микробиологической промышленности при Совете Министров СССР — Главмикробиопром). Имеются ценные разработки по получению новых источников энергии биотехнологическим путем (технологическая биоэнергетика), отметим большое значение биогаза - заменителя топлива, получаемого из недр земли.
Значительные успехи, достигнутые во второй половине XX в. в фундаментальных исследованиях в области биохимии, биоорганической химии и молекулярной биологии, создали предпосылки для управления элементарными механизмами жизнедеятельности клетки, что явилось мощным импульсом для развития биотехнологии. Выяснение роли нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации, расшифровка генетического кода, раскрытие механизма индукции и репрессии генов, совершенствование технологии культивирования микроорганизмов, клеток и тканей растений и животных позволили разработать методы
генетической и клеточной инженерии, с помощью которых можно искусственно создавать новые формы высокопродуктивных организмов. Генетическая и клеточная инженерия рассматривается как принципиально новое направление биологической науки, которое сегодня ставят в один ряд с расщеплением атома, преодолением земного притяжения и созданием средств электроники (Ю. А. Овчинников, 1985).
В разработку генноинженерных методов советские исследователи включились в 1972 г. Следует указать на успешное осуществление проекта «Ревертаза» — получение в промышленных масштабах обратной транскриптазы в СССР.
С 1970 г. в нашей стране ведутся интенсивные исследования по селекции культур для непрерывного культивирования в промышленных целях.
Развитие методов для изучения структуры белков, выяснение механизмов функционирования и регуляции активности ферментов открыли путь к направленной модификации белков и привели к рождению инженерной энзимологии. Иммобилизованные ферменты, обладающие высокой стабильностью, становятся мощным инструментом для осуществления каталитических реакций в различных отраслях промышленности.
Все эти достижения поставили биотехнологию на новый уровень, качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлять клеточными процессами. В современном звучании биотехнология — это промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами.
Биотехнология — междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук.
Биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов. Многоэтапность процесса обусловливает необходимость привлечения к его осуществлению самых различных специалистов: генетиков и молекулярных биологов, биохимиков и биооргаников, вирусологов, микробиологов и клеточных физиологов, инженеров-технологов, конструкторов биотехнологического оборудования и др.
В Комплексной программе научно-технического прогресса стран — членов СЭВ в качестве первоочередных задач биотехнологии определены создание и широкое народнохозяйственное освоение:
— новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста человека, моноклональных антител и т.д.), позволяющих осуществить в здравоохранении раннюю диагностику и лечение тяжелых заболеваний — сердечно-сосудистых, злокачественных, наследственных, инфекционных, в том числе вирусных;
— микробиологических средств защиты растений от болезней и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений; новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды сортов и гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;
— ценных кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, ветеринарных препаратов и др.) для повышения продуктивности животноводства; новых методов биоинженерии для эффективной профилактики, диагностики и терапии основных болезней сельскохозяйственных животных;
— новых технологий получения хозяйственно ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;
— технологий глубокой и эффективной переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.
По оценкам специалистов, мировой рынок биотехнологической продукции уже к середине 90-х годов достигнет уровня 130—150 млрд. руб. (Ю. А. Овчинников, 1985).
На пути решения поставленных задач биотехнологию подстерегают немалые трудности, связанные с исключительной сложностью организации живого. Любой биообъект — это целостная система, в которой нельзя изменить ни один из элементов, не меняя остальных, нельзя произвольно перекомбинировать их, придавая организму то или иное желаемое свойство, например бактерии — способность к сверхсинтезу требуемой аминокислоты, сельскохозяйственному растению — устойчивость к фитопатоген-ным грибкам. Любое воздействие на объект вызывает не только желаемые, но и побочные эффекты; перестройка генома сказывается сразу на многих признаках организма. У человека существуют гены, отвечающие за злокачественное перерождение клеток. Высказывалось немало идей о необходимости превентивных генетических операций, пока не было установлено, что эти гены необходимы и для нормального роста. Помимо этого, экосистема также представляет собой целостную систему и изменения каждого из ее компонентов сказываются на остальных компонентах. Не исключено, что плазмида, с помощью которой трансплантирован желаемый ген культурному растению, будет далее передаваться сорнякам. Не будет ли в результате генных манипуляций превращаться в сорняк само культурное растение?
Успехи, достигнутые в области генетической и клеточной инженерии на простейших биологических системах, прокариотных организмах, вселяют уверенность в преодолимость рассмотренных трудностей. Что касается более сложных систем, а именно эукариотных организмов, то здесь делаются лишь первые шаги, идет накопление фундаментальных знаний.
БИОТЕХНОЛОГИЯ НА СЛУЖБЕ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА, ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И НАУКИ
Биотехнологические разработки могут внести немаловажный вклад в решение комплексных проблем народного хозяйства, здравоохранения и науки.
Для удовлетворения пищевых потребностей необходимо увеличить эффективность растениеводства и животноводства. Именно на это, в первую очередь, нацелены усилия биотехнологов. Кроме того, биотехнология предлагает как источник кормового (возможно, и пищевого) белка клеточную массу бактерий, грибов и водорослей.
Во-вторых, повышение цен на традиционные источники энергии (нефть, природный газ, уголь) и угроза исчерпания их запасов побудили человечество обратиться к альтернативным путям получения энергии. Биотехнология может дать ценные возобновляемые энергетические источники: спирты, биогенные углеводороды, водород. Эти экологически чистые виды топлива можно получать путем биоконверсии отходов промышленного и сельскохозяйственного производства.
В-третьих, уже в наши дни биотехнология оказывает реальную помощь здравоохранению. Нет сомнений в терапевтической ценности инсулина, гормона роста, интерферонов, факторов свертывания крови и иммунной системы, тромболитических ферментов, изготовленных биотехнологическим путем. Помимо получе ния лечебных средств, биотехнология позволяет проводить раннюю диагностику инфекционных заболеваний и злокачественных новообразований на основе применения препаратов антигенов, моноклональных антител, ДНК/РНК-проб. С помощью новых вакцинных препаратов возможно предупреждение инфекционных болезней.
В-четвертых, биотехнология может резко ограничить масштабы загрязнения нашей планеты промышленными, сельскохозяйственными и бытовыми отходами, токсичными компонентами автомобильных выхлопов и т. д. Современные разработки нацелены
на создание безотходных технологий, на получение легко разрушаемых полимеров (в частности, биогенного происхождения: поли-b-оксибутирата, полиамилозы) и поиск новых активных микроорганизмов-разрушителей полимеров (полиэтилена, полипропилена, полихлорвинила). Усилия биотехнологов направлены также на борьбу с пестицидными загрязнениями — следствием неумеренного и нерационального применения ядохимикатов.
Биотехнологические разработки играют важную роль в добыче и переработке полезных ископаемых, получении различных препаратов и создании новой аппаратуры для аналитических целей.
1. Биотехнология и сельское хозяйство
Биотехнология и растениеводство
Культурные растения страдают от сорняков, грызунов, насекомых-вредителей, нематод, фитопатогенных грибов, бактерий, вирусов, неблагоприятных погодных и климатических условий. Перечисленные факторы наряду с почвенной эрозией и градом значительно снижают урожайность сельскохозяйственных растений. Известно, какие разрушительные последствия в картофелеводстве вызывает колорадский жук, а также гриб Phytophtora — возбудитель ранней гнили (фитофтороза) картофеля. Кукуруза подвержена опустошительным «набегам» южной листовой гнили, ущерб от которой в США в 1970 г. был оценен в 1 млрд. долларов.
В последние годы большое внимание уделяют вирусным заболеваниям растений. Наряду с болезнями, оставляющими видимые следы на культурных растениях (мозаичная болезнь табака и хлопчатника, зимняя болезнь томатов), вирусы вызывают скрытые инфекционные процессы, значительно снижающие урожайность сельскохозяйственных культур и ведущие к их вырождению.
Биотехнологические пути защиты растений от рассмотренных вредоносных агентов включают: 1) выведение сортов растений, устойчивых к неблагоприятным факторам; 2) химические средства борьбы (пестициды) с сорняками (гербициды), грызунами (ратициды), насекомыми (инсектициды), нематодами (нематоциды), фитопатогенными грибами (фунгициды), бактериями, вирусами; 3) биологические средства борьбы с вредителями, использование их естественных врагов и паразитов, а также токсических продуктов, образуемых живыми организмами.
Наряду с защитой растений ставится задача повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, их пищевой (кормовой) ценности, задача создания сортов растений, растущих на засоленных почвах, в засушливых и заболоченных районах. Разработки нацелены на повышение энергетической эффективности различных процессов в растительных тканях, начиная от поглощения кванта света и кончая ассимиляцией СО2 и водно-солевым обменом.
Выведение новых сортов растений. Традиционные подходы к выведению новых сортов растений — это селекция на основе гибридизации, спонтанных и индуцированных мутаций. Методы селекции не столь отдаленного будущего включают генетическую и клеточную инженерию.
Генетическую инженерию предлагают использовать для выведения азотфиксирующих растений. В природных условиях азотфиксирующие клубеньковые бактерии, представители рода Rhizobium, вступают в симбиоз с бобовыми. Комплекс генов азотфиксации (nif) из этих или иных бактерий предлагают включить в геном злаковых культур. Трудности связаны с поиском подходящего вектора, поскольку широко используемые для подобных целей Agrobacterium с плазмидами Ti и Ri не заселяют злаки. Планируют модификацию генома Agrobacterium, чтобы бактерия могла вступать в симбиоз со злаками и передавать им генетическую информацию. Другим решением проблемы могла бы быть трансформация растительных протопластов посредством ДНК. К компетенции клеточной инженерии относят создание новых азотфиксирующих симбиотических ассоциаций «растение — микроорганизм».
В настоящее время выделены и клонированы гены sym, отвечающие за установление симбиотических отношений между клубеньковыми азотфиксаторами и растением-хозяином. Путем переноса этих генов в свободноживущие азотфиксирующие бактерии (Klebsiella, Azotobacter) представляется возможным заставить их вступить в симбиоз с ценными сельскохозяйственными культурами. Методами генетической инженерии предполагают также повысить уровень обогащения почвы азотом, амплифици-руя гены азотфиксации у Klebsiella и Azotobacter.
Разрабатываются подходы к межвидовому переносу генов asm, обусловливающих устойчивость растений к нехватке влаги, жаре, холоду, засоленности почвы. Перспективы повышения эффективности биоконверсии энергии света связаны с модификацией генов, отвечающих за световые и темновые стадии этого процесса, в первую очередь генов cfx, регулирующих фиксацию СО2 растением. В этой связи представляют большой интерес
разработки по межвидовому переносу генов, кодирующих хлорофилл а/
b-связывающий белок и малую субъединицу рибулозо-бис-фосфаткарбоксилазы — ключевого фермента в фотосинтетической фиксации СО2.
Гены устойчивости к некоторым гербицидам, выделенные из бактерий и дрожжей, были успешно перенесены в растения табака. Разведение устойчивых к гербицидам растений открывает возможность их применения для уничтожения сорняков непосредственно на угодьях, занятых сельскохозяйственными культурами. Проблема состоит, однако, в том, что массивные дозы гербицидов могут оказаться вредными для природных экосистем.
Некоторые культурные растения сильно страдают от нематод. Обсуждается проект введения в растения новых генов, обусловливающих биосинтез и выделение нематоцидов корневыми клетками. Важно, чтобы эти нематоциды не проявляли токсичности по отношению к полезной прикорневой микрофлоре. Возможно также создание почвенных ассоциаций «растение — бактерия» или «растение — гриб (микориза)» так, чтобы бактериальный (грибной) компонент ассоциации отвечал за выделение нематоцидов.
Важное место в выведении новых сортов растений занимает метод культивирования растительных клеток in
vitro. Регенерируемая из таких клеток «молодая поросль» состоит из идентичных по генофонду экземпляров, сохраняющих ценные качества избранного клеточного клона. В Австралии из культивируемых in
vitro клеточных клонов выращивают красные камедные деревья (австралийские эвкалипты), отличающиеся способностью расти на засоленных почвах. Предполагается, что корни этих растений будут выкачивать воду из таких почв и тем самым понижать уровень грунтовых вод. Это приведет к снижению засоленности поверхностных слоев почвы в результате переноса минеральных солей в более глубокие слои с потоками дождевой воды. В Малайзии из клеточного клона получена масличная пальма с повышенной устойчивостью к фитопатогенам и увеличенной способностью к образованию масла (прирост на 20—30%). Клонирование клеток с последующим их скринингом и регенерацией растений из отобранных клонов рассматривают как важный метод сохранения и улучшения древесных пород умеренных широт, в частности хвойных деревьев. Растения-регенеранты, выращенные из клеток или тканей меристемы, используют ныне для разведения спаржи, земляники, брюссельской и цветной капусты, гвоздик, папоротников, персиков, ананасов, бананов.
С клонированием клеток связывают надежды на устранение вирусных заболеваний растений. Разработаны методы, позволяющие получать регенеранты из тканей верхушечных почек растений. В дальнейшем среди регенерированных растений проводят отбор особей, выращенных из незараженных клеток, и выбраковку больных растений. Раннее выявление вирусного заболевания, необходимое для подобной выбраковки, может быть осуществлено методами иммунодиагностики, с использованием моноклональных антител или методом ДНК/РНК-проб. Предпосылкой для этого является получение очищенных препаратов соответствующих вирусов или их структурных компонентов.
Клонирование клеток — перспективный метод получения не только новых сортов, но и промышленно важных продуктов. При правильном подборе условий культивирования, в частности при оптимальном соотношении фитогормонов, изолированные клетки более продуктивны, чем целые растения. Иммобилизация растительных клеток или протопластов нередко ведет к повышению их синтетической активности. Табл. 6 включает биотехнологические процессы с использованием культур растительных клеток, наиболее перспективные для промышленного внедрения.
Коммерческое значение в основном имеет промышленное производство шиконина. Применение растительных клеток, которые являются высокоэффективными продуцентами алкалоидов, терпенов, различных пигментов и масел, пищевых ароматических добавок (земляничной, виноградной, ванильной, томатной, сельдерейной, спаржевой) наталкивается на определенные трудности, связанные с дороговизной используемых технологий, низким выходом целевых продуктов, длительностью производственного процесса.
Таким образом, биотехнология открывает широкие перспективы в области выведения новых сортов растений, устойчивых к неблагоприятным внешним воздействиям, вредителям, патогенам, не требующих азотных удобрений, отличающихся высокой продуктивностью.
Таблица 1. Примеры клеточных культур — высокоэффективных продуцентов ценных соединений (по О. Sahai, M. Knuth, 1985. К. Hahlbrock. 1986)
| Вид растения | Целевой продукт | Предполагаемое применение |
| Lithospermum erithrorhizon (воробейник) | Шиконин и его производные | Красный пигмент, используемый в косметике как «биологическая губная помада», антибактериальный агент, используемый при лечении ран, ожогов, геморроя |
| Nicotiana tabacum (табак) | Убихинон- 10 | Важный компонент дыхательной и фотосинтетической цепей переноса электронов, применяемый как витамин и в аналитических целях |
| To же | Глутатион | Участник многих окислительно-восстановительных реакций в клетке, приравнивается к витамину |
| Morinda citrifolia | Антрахиноны | Сырье для лакокрасочной промышленности |
| Coleus blumei | Розмариновая кислота | Жаропонижающее средство, проходящее клинические испытания |
| Berberis stolonifera (барбарис) | Ятрорризин | Спазмолитическое лекарственное средство |
Биодеградация пестицидов. Пестициды обладают мощным, но недостаточно избирательным действием. Так, гербициды, смываясь дождевыми потоками или почвенными водами на посевные площади, наносят ущерб сельскохозяйственным культурам. Помимо этого, некоторые пестициды длительно сохраняются в почве, что тоже приводит к потерям урожая. Возможны разные подходы к решению проблемы: 1) усовершенствование технологии применения пестицидов, что не входит в компетенцию биотехнологии; 2) выведение растений, устойчивых к пестицидам; биодеградация пестицидов в почве.
К разрушению многих пестицидов способна микрофлора почвы. Методами генетической инженерии сконструированы штаммы микроорганизмов с повышенной эффективностью биодеградации ядохимикатов, в частности штамм Pseudomonas ceparia, разрушающий 2, 4, 5-трихлорфеноксиацетат. Устойчивость того или иного пестицида в почве меняется при добавлении его в сочетании с другим пестицидом. Так, устойчивость гербицида хлорпро-фама увеличивается при его внесении совместно с инсектицидами из группы метилкарбаматов. Оказалось, что метилкарбаматы ингибируют микробные ферменты, катализирующие гидролиз хлорпрофама.
Микробная трансформация пестицидов имеет и оборотную сторону. Во-первых, быстрая деградация пестицидов сводит на нет их полезный эффект. Во-вторых, в результате микробного превращения могут образоваться продукты, сильно ядовитые для растений. При использовании гербицида тиобенкарба в Японии наблюдали подавление роста и развития риса. Установлено, что подавляет не сам гербицид, а его дехлорированное производное S-бензил-N,N-диэтилтиокарбамат. Чтобы предотвратить образование такого производного, тиобенкарб применяют в комбинации с метоксифеном, ингибитором дехлорирующего фермента микроорганизмов.
Биологическая защита растений от вредителей и патогенов. Из широкого спектра биологических средств защиты растений ограничимся рассмотрением средств борьбы с насекомыми-вредителями и патогенными микроорганизмами. Именно в этих областях имеются наибольшие перспективы.
К традиционным биологическим средствам, направленным против насекомых, принадлежат хищные насекомые. В последние годы арсенал «оружия» инсектицидного действия пополнен грибами, бактериями, вирусами, патогенными для насекомых (энтомо-патогенными). Многие виды насекомых-вредителей (тля, колорадский жук, яблоневая плодожорка, озимая совка и др.) восприимчивы к заболеванию, вызываемому грибом Beauveria bussiana. Препарат боверин из лиофильно высушенных конидий гриба сохраняет энтомопатогенность в течение года после обработки почвы или растений. Препарат пецилолин из гриба Poecilomyces fumoso-roseus применяют для борьбы с вредителями кустарников, например смородины.
Важным источником бактериальных энтомопатогенных препаратов служит Bacillus thuringiensis. Эти препараты обладают высокой устойчивостью и патогенны для нескольких сотен видов насекомых-вредителей, в том числе для листогрызущих насекомых — вредителей яблонь, винограда, капусты, лесных деревьев. Гены, отвечающие за синтез одного из токсинов В. thuringiensis, были изолированы и перенесены в растения табака. Необходимо, чтобы такие «энтомопатогенные» растения не содержали веществ, токсичных для человека и животных.
Вирусные препараты отличаются высокой специфичностью действия, длительным (до 10—15 лет) сохранением активности, устойчивостью к колебаниям температуры и влажности. Из многих сотен известных энтомопатогенных вирусов наибольшее применение находят вирусы ядерного полиэдроза, обладающие высокой эффективностью действия на насекомых-вредителей. Насекомых выращивают в искусственных условиях, заражают вирусом, из гомогенатов погибших насекомых готовят препараты. Применяют отечественные препараты вирин-ЭКС (против капустной совки), вирин-ЭНШ (против непарного шелкопряда). В последние годы для культивирования вирусов широко применяю; культуры клеток насекомых.
Комбинация из нескольких биологических средств нередко действует на вредителей более эффективно, чем каждый в от дельности. Смертность соснового шелкопряда резко возрастает, если вирус цитоплазматического полиэдроза применяют в сочетании с препаратами из Вас. thuringiensis. Эффективна комбинация биологических и химических средств защиты растений от насекомых.
Среди новых средств защиты растений — вещества биогенного происхождения, ингибирующие откладку яиц насекомыми или стимулирующие активность естественных врагов насекомых вредителей: хищников, паразитов .
Разнообразны средства защиты растений от фитопатогенных микроорганизмов.
1. Антибиотики. Примерами могут служить триходермин и трихотецин, продуцируемые грибами Trichoderma
sp. и Trichotecium roseum. Эти антибиотики используются для борьбы с корневыми гнилями овощных, зерновых и технических культур.
2. Фитоалексины, естественные растительные агенты, инактивирующие микробных возбудителей заболеваний. Эти соединения, синтезируемые в тканях растений в ответ на внедрение фитопатогенов, могут служить высокоспецифичными замените-
лями пестицидов. Фитоалексин перца успешно применяли при фитофторозе. Могут быть использованы также вещества, стимулирующие синтез фитоалексинов в растительных тканях.
3. Использование микробов-антагонистов, вытесняющих патогенный вид и подавляющих его развитие.
4. Иммунизация и вакцинация растений. Вакцинные препараты стремятся вводить непосредственно в прорастающие семена.
5. Введение в ткани растений специфичного агента (d-фактора), снижающего жизнеспособность возбудителя.
Биологические средства — важная составная часть комплексной программы защиты растений. Эта программа предусматривает проведение защитных мероприятий агротехнического, биологического и химического плана наряду с использованием устойчивых сортов растений. Задачей комплексной программы является поддержание численности вредителей растений на экологически сбалансированном уровне, не наносящем ощутимого вреда культурным растениям.
Биологические удобрения. Биологические (бактериальные) удобрения применяют для обогащения почвы связанным азотом. Большое распространение получили препараты нитрагин и азотобактерин — клетки клубеньковых бактерий и азотобактера, к которым добавляют стабилизаторы (мелассу, тиомочевину) и наполнитель (бентонит, почву). Азотобактерин обогащает почву не только азотом, но и витаминами и фитогормонами, гиббереллинами и гетероауксинами. Препарат фосфо-бактерин из Bacillus megaterium превращает сложные органические соединения фосфора в простые, легко усвояемые растениями. Фосфобактерин также обогащает почву витаминами и улучшает азотное питание растений.
Растения синтезируют ряд соединений, регулирующих их рост и развитие (фитогормоны, биорегуляторы). К их числу принадлежат ауксины, гиббереллины, цитокинины. Созревание плодов стимулирует этилен. Эти биорегуляторы находят применение в сельском хозяйстве. К числу новых, обнаруженных в последние годы биорегуляторов относят пептиды, имеются перспективы их применения в сельском хозяйстве.
Биотехнология и животноводство.
Большое значение в связи с интенсификацией животноводства отводится профилактике инфекционных заболеваний сельскохозяйственных животных с применением рекомбинантных живых вакцин и генноинженерных вакцин-антигенов, ранней диагностике этих заболеваний с помощью моноклональных антител и ДНК/РНК-проб.
Для повышения продуктивности животных нужен полноценный корм. Микробиологическая промышленность выпускает кормовой белок на базе различных микроорганизмов — бактерий,
грибов, дрожжей, водорослей. Богатая белками биомасса одноклеточных организмов с высокой эффективностью усваивается сельскохозяйственными животными. Так, 1 т кормовых дрожжей позволяет получить 0,4- 0,6 т свинины, до 1,5 т мяса птиц, 25—30 тыс. яиц и сэкономить 5—7 т зерна (Р. С. Рычков, 1982). Это имеет большое народнохозяйственное значение, поскольку 80% площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводятся для производства корма скоту и птице.
Одноклеточные организмы характеризуются высоким содержанием белка — от 40 до 80% и более. Белок одноклеточных богат лизином, незаменимой аминокислотой, определяющей его кормовую ценность. Добавка биомассы одноклеточных к недостаточным по лизину растительным кормам позволяет приблизить их аминокислотный состав к оптимальному. Недостатком биомассы одноклеточных является нехватка серусодержащих аминокислот, в первую очередь метионина. У одноклеточных его приблизительно вдвое меньше, чем в рыбной муке. Этот недостаток присущ и таким традиционным белковым кормам, как соевая мука. Питательная ценность биомассы одноклеточных может быть значительно повышена добавкой синтетического метионина.
Производство кормового белка на основе одноклеточных — процесс, не требующий посевных площадей, не зависящий от климатических и погодных условий. Он может быть осуществлен в непрерывном и автоматизированном режиме.
В нашей стране производится биомасса одноклеточных, в особенности на базе углеводородного сырья. Достигнутые успехи не должны заслонять проблемы, возникающей при использовании углеводородов как субстратов для крупномасштабного производства белка, — ограниченность их ресурсов. Важнейшими альтернативными субстратами служит метанол, этанол, углеводы растительного происхождения, в перспективе водород.
Очищенный этанол на мировом рынке стоит почти вдвое дороже метанола, но этанол отличается очень высокой эффективностью биоконверсии. Из 1 кг этанола можно получить до 880 г дрожжевой массы, а из 1 кг метанола-до 440 г. Биомасса из этанола особенно богата лизином — до 7%.
Большое значение для животноводства имеет обогащение растительных кормов микробным белком. Для этого широко применяют твердофазные процессы.
Перспективными источниками белка представляются фото-трофные микроорганизмы, в особенности цианобактерии рода Spirulina и зеленые одноклеточные водоросли из родов Chlorella и Scenedesmus. Наряду с обычными аппаратами для их выращивания используют искусственные водоемы. Добавление к растительным кормам биомассы Scenedesmus позволяет резко повысить эффективность усвоения белков животными.
Таким образом, существуют разнообразные источники сырья для получения биомассы одноклеточных. Некоторые субстраты (этанол) дают столь высококачественный белок, что он может быть рекомендован в пищу. Цианобактерии рода Spirulina издавна используют в пищу ацтеки в Центральной Америке и племена, обитающие на озере Чад в Африке.
2. Технологическая биоэнергетика
Технологическая биоэнергетика — одно из направлений биотехнологии, связанное с эффективным использованием энергии, запасаемой при фотосинтезе. Это может быть достигнуто путем: 1) превращения биомассы, накопленной в результате фотосинтеза в дешевое и высококалорийное топливо — метан и другие углеводороды, этанол и т. д.; 2) модификации самого процесса фотосинтеза, в результате которой энергия света с максимальной эффективностью используется на образование водорода или другого топлива, минуя стадию фотоассимиляции СО2 и синтеза компонентов клетки. На уровне теоретических разработок находится идея непосредственного преобразования энергии Солнца в электрическую (биофотоэлектрические преобразователи энергии).
Рассмотрим вначале путь, пролегающий через использование биомассы, в первую очередь, растительной, ресурсы которой в мире огромны и оцениваются в 100 млрд. т по сухому веществу в год. Лишь незначительная часть ее расходуется человечеством, но и эта часть дает до 14% потребляемой в мире энергии. Биомасса — не только возобновляемый и почти даровой источник энергии, но и альтернатива тающим запасам полезных ископаемых.
Получение этанола как топлива.
Этанол — экологически чистое топливо, дающее при сгорании СО2 и Н2О. Он используется в двигателях внутреннего сгорания в чистом виде или как 10—20%-ная добавка к бензину (газохол). В Бразилии уже к 1983 г. 75% автомобилей работали на 95%-ном этаноле, а остальные — на газохоле. В США предполагают заменить на этанол 10% потребляемого бензина. Широкое внедрение этанола планируется в странах Западной Европы.
На значительных посевных площадях намечают выращивать сельскохозяйственные культуры, предназначенные для биотехнологической переработки в этанол. В условиях дефицита посевных площадей возникает проблема, которая уже в наши дни актуальна для Бразилии и выражается дилеммой: продовольствие или энергия. Производство этанола из растительного сырья не является безотходным: на каждый литр спирта при-
ходится 12—14 л сточных вод с высокой концентрацией отходов, опасных для природных экосистем. Проблема рациональной переработки этих отходов не решена.
Классическим биообъектом, используемым при получении спирта, являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи имеют ряд недостатков.
1. Конкуренция брожения и дыхания. Субстрат (например, глюкоза) лишь частично сбраживается до этанола. Оставшаяся часть безвозвратно теряется, превращаясь в результате дыхания в СО2 и Н2О. Процесс необходимо вести в анаэробных условиях или применять мутанты дрожжей, утратившие митохондрии и не способные к дыханию.
2. Чувствительность к этанолу, которая снижает выход целевого продукта на единицу объема биореактора. Получены устойчивые к этанолу мутанты, характеризующиеся измененным строением клеточных мембран.
3. Отсутствие ферментов, катализирующих расщепление крахмала, целлюлозы, ксилана. Необходим предварительный гидролиз субстрата или засев биореактора смешанной культурой, содержащей, помимо S. cerevisiae, микроорганизмы с соответствующей гидролитической активностью.
Бактерия Zymomonas molilis, применявшаяся центральноамериканскими индейцами для сбраживания сока агавы, более эффективно сбраживает сахара и более устойчива к этанолу. Дальнейшее повышение устойчивости Z. mobilis к этанолу достигается добавлением в среду инкубации Mg2+ и ряда нуклео-тидных компонентов.
Термофильные бактерии, продуценты этанола характеризуются высокой скоростью роста и метаболизма, чрезвычайно стабильными ферментами, необычной для остальных бактерий устойчивостью к этанолу (до 15% и более). Термофилы способны к биоконверсии полисахаридных субстратов в этанол. Так, Thermoanaerobium brockii сбраживает крахмал, Clostridium thermocellum — целлюлозу, Cl. thermohydrosulfuricum утилизирует продукты деградации целлюлозы с очень высоким выходом спирта. Перспективно применение экстремально термофильного продуцента спирта Thermoanaerobacter ethanolicus. Планируют использование также ацидофильных (оптимум рН 1,5) и галофильных продуцентов спирта.
Повышение выхода спирта и стабилизация активности его продуцентов могут быть достигнуты путем иммобилизации клеток. Так, эффективный синтез этанола осуществлен с применением клеток Z. mobilis, иммобилизованных на хлопчатобумажных волокнах (S. Prentis, 1984).
Получение метана и других углеводородов.
Получение метана — важный путь утилизации сельскохозяйственных отходов. Он получается в виде биогаза — смеси метана и СО2. Присутствие СО2 ограничивает теплотворную способность биогаза как топлива, которая в зависимости от соотношения СН4/СО2 составляет 20,9—33,4 кДж/м3. Содержание метана в биогазе варьирует от 50 до 85%.
Непосредственно к образованию метана способна небольшая группа микроорганизмов, относящихся к архебактериям. Жизнедеятельность метанобразующих архебактерий протекает в строго анаэробных условиях. Субстратами для образования метана могут служить муравьиная и уксусная кислоты, метанол, газовые смеси (Н2 + СО, Н2 + СО2). Поскольку биогаз практически получают из сложных органических веществ (целлюлозы, крахмала, белков, липидов, нуклеиновых кислот), то для метан-образования применяют многокомпонентные микробные ассоциации.
Наряду с метанобразующими бактериями в состав таких ассоциаций входят микроорганизмы, переводящие органические субстраты в метанол, муравьиную и уксусную кислоты, Н2, СО и т. д. Примером может служить метаногенная ассоциация «Methanobacillus Kuzneceovii», образующая метан при разложении биомассы водорослей (Чан Динь Тоай, 1984).
Процесс метанобразования отличается высокой эффективностью: до 90—95% используемого углерода переходит в метан. Поэтому метаногенные ассоциации с успехом используют для очистки сточных вод от органических загрязнений с одновременным получением высококалорийного топлива. До 5—10% потребленного углерода превращается в биомассу, которая также находит применение. Используют как жидко-, так и твердофазные процессы получения биогаза (биогазификации).
Наряду с биогазом метаногенные ассоциации образуют другие ценные продукты, например витамин В12 После переработки органического субстрата в биогаз остается материал, представляющий собой ценное минеральное (азотное и фосфорное) удобрение.
Получение биогаза — процесс, отличающийся простотой оборудования и доступностью сырья, требует небольших капиталовложений. В Китае, Индии, ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые вносят подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку сырья. В Китае действует свыше 7 млн. малых установок вместимостью 10—15 л, достаточных для удовлетворения энергетических потребностей семьи из пяти человек.
Кроме метаногенных анаэробов существует другая группа организмов — продуцентов углеводородов как заменителей топлива. Это микроводоросли — Botryacoceus, Isochrysis, Nanochlo-ropsis и др. Углеводороды накапливаются в значительных количествах — до 80% сухой массы клеток. В США действует ферма для выращивания водорослей с суммарной площадью водоемов 52 тыс. гектаров, дающая около 4800 м3 жидких углеводородов в сутки. Для улучшения топливных характеристик полученные из водорослей углеводороды подвергают гидрированию (Г Н Чернов, 1982).
Получение водорода как топлива будущего.
Получение водорода как топлива пока остается на уровне поисковых разработок. Это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь Н2О, отличается исключительно высокой теплотворной способностью — 143 кДж/г. Химический и электрохимический способы получения Н2 неэкономичны, поэтому заманчиво использование микроорганизмов, способных выделять водород. Такой способностью обладают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии, различные водоросли и некоторые простейшие (Е. Н. Кондратьева, И. Н. Го-готов, 1981). Процесс протекает с участием гидрогеназы или нитрогеназы.
Гидрогеназа — фермент, содержащий FeS-центры. Она катализирует реакцию
2Н+ + 2е- = Н2
Одна из технологических возможностей основана на включении изолированной гидрогеназы в состав искусственных Н2-генерирую-щих систем. Сложной проблемой является нестабильность изолированного фермента и быстрое ингибирование его активности водородом (продуктом реакции) и кислородом. Повышение стабильности гидрогеназы может быть достигнуто ее иммобилизацией (Чан Динь Тоай, 1984; Y. Nosaka et. al., 1986). Иммобилизация предотвращает ингибирование гидрогеназы кислородом.
Предложено много вариантов модельных систем, катализирующих образование водорода из воды за счет энергии света. Эти системы различаются механизмом улавливания энергии света и содержат хлоропласты или изолированный из них хлорофилл, а также восстановленные никотинамидные нуклеотиды. Некоторые системы наряду с водородом образуют кислород: в этом случае речь идет о биофотолизе воды.
Примером может служить система хлоропласт — ферредоксин — гидрогеназа. Ферредоксин служит промежуточным переносчиком электронов от фотосинтетической цепи хлоропластов к добавленной гидрогеназе. Серьезной проблемой является поддержание низкого парциального давления этих газов, с тем чтобы не наступило ингибирование гидрогеназы. При замене ферредоксина на флавопротеид или метилвиологен система образует только Н2. Флавопротеид и, по некоторым данным, метилвиологен защищают гидрогеназу от ингибирования кислородом. Разрабатываются системы с изолированным хлорофиллом, встроенным в детергент ные мицеллы или липосомы вместе с гидрогеназой. Предложена также система с гидрогеназой, иммобилизованной в агарозном геле, с которым прочно связан полимерный виологен и металлопорфирин, аналог хлорофилла.
Водород получают также с применением целых клеток микроорганизмов, стабильность которых возрастает при их иммобилизации. Высокоэффективными продуцентами Н2 являются пурпурные фототрофные бактерии, например Rhodopseudomonas
sp., которые при иммобилизации в агарозном геле дают до 180 мкмоль Н2 за 1 ч в пересчете на 1 мг бактериохлорофилла (М. Tadashi, A. Akira, 1983). Важное направление работ — поиск продуцентов Н2 с устойчивой к О2 гидрогеназой.
Другим ферментом, катализирующим выделение водорода, является нитрогеназа. У всех микроорганизмов нитрогеназа состоит из двух, компонентов, а именно из MoFeS-протеида (молибдоферредоксина) и FeS-протеида (азоферредоксина). Основной функцией нитрогеназы является восстановление молекулярного азота:
N2 + 8H+ + 8е- + nАТФ -> 2NH3 + Н2 + nАДФ + nфосфорная кислота
В отсутствие основного субстрата (N2) нитрогеназа катализирует энергозависимое
восстановление Н+ с образованием Н2. Переключение фермента с одного режима работы на другой является технологической проблемой. Один из путей решения — получение штаммов микроорганизмов с нитрогеназой, не утилизирующей азот.
В Японии получен штамм Anabaena
sp., который осуществляет биофотолиз воды в режиме, не чувствительном к Н2, О2 и N2. Повышению эффективности биофотолиза воды способствует чередование периодов функционирования биообъекта как продуцента Н2 и О2 с периодами «отдыха», когда клетки фотоассими-лируют СО2 (вводимый на этот период в среду культивирования). Возможно комбинирование процессов получения Н2 и других ценных продуктов. В частности, представители рода Clostridium дают органические растворители и в то же время обладают активной гидрогеназой. Если в реакторе с культурой Cl. saccharo-perbutylacetoniocum не создавать оттока для выделяющегося Н2, то наблюдается ингибирование образования Н2 и эффективный синтез бутанола, ацетона и этанола. Если водороду обеспечивают свободный отток, то наряду с довольно активным образованием Н2 культура синтезирует лишь этанол. Этот пример иллюстрирует возможность управления ходом биотехнологического процесса условиями культивирования биообъекта.
Таким образом, предложены разнообразные проекты систем для получения водорода с использованием биообъектов. Речь идет о вмешательстве человека в процесс биоконверсии энергии с целью добиться ее возможно более полного превращения в энергию химической связи в молекуле Н2.
Пути повышения эффективности фотосинтетических систем.
Рассчитанная теоретически эффективность фотосинтеза, т. е. коэффициент превращения световой энергии в химическую энергию органических веществ, близка к 15%. Фактически, однако, наиболее продуктивные культурные растения запасают не более 1,5—2% энергии падающего света. Актуальная проблема технологической биоэнергетики — повышение эффективности фотосинтеза у культурных растений.
Разрабатывают следующие основные подходы к решению этой проблемы: 1) повышение коэффициента превращения солнечной энергии до 4—5% за счет увеличения площади листьев и их раннего формирования; 2) вмешательство в системы регуляции фотосинтеза — сбалансированное использование фитогормонов, трансплантация регуляторных генов; 3) увеличение скорости роста растений за счет оптимизации водного и минерального питания, что приведет к повышению их фотосинтетической активности; 4) увеличение числа хлоропластов в клетке на единицу площади листа; 5) установление оптимального соотношения между функционирующими реакционными центрами хлорофилла и промежуточными переносчиками электронов, например, цитохромами; 6) увеличение скорости переноса электронов между фотосистемами I и II и эффективности сопряжения между транспортом электронов и синтезом АТФ.
Радикальным способом максимизации эффективности фотосинтеза было бы создание искусственных фотосистем, имитирующих основные блоки фотосинтетического аппарата живых организмов, но внедрение подобных преобразователей энергии, по-видимому, отделено от нас несколькими десятилетиями.
Биотопливные элементы.
На уровне поисковых разработок находятся биотоплйвные элементы, превращающие химическую энергию субстрата в электрическую. Примерами могут служить топливные элементы на основе окисления метанола в муравьиную кислоту с участием алкогольдегидрогеназы, муравьиной кислоты в CU2 с участием формиатдегидрогеназы, глюкозы в глюконовую кислоту с участием глюкозооксидазы. Используют также катали -тическую активность целых клеток, например Е. coli, Вас. subtilis,
Ps. aeruginosa, в реакции окисления глюкозы.
Окисление субстрата происходит на электроде (аноде). Посредником между субстратом и анодом является биокатализатор. Существуют два пути дальнейшей передачи электронов на
электрод: 1) с участием медиатора и 2) непосредственный транспорт электронов на электрод (А. И. Ярополов, И. В. Березин, 1985). Конструкция биотопливного элемента позволяет генерировать не только электрический ток, но и осуществлять важные химические превращения. Например, топливный элемент с глюкозооксида-зой и p-D-фруктофуранидазой переводит сахарозу в смесь фруктозы и глюконовой кислоты.
Ферментные электроды применяются не только в топливных элементах. Они представляют собой основной компонент биологических датчиков — биосенсоров, широко применяемых в химиче-
ской промышленности, медицине, при контроле за биотехнологическими процессами, в аналитических целях и т. д. Обычно используют системы с биокатализатором, иммобилизованным на поверхности мембранного электрода. Например, иммобилизацией пенициллиназы на обычном рН-электроде получают чувствительный биосенсор, регистрирующий концентрацию пенициллина. Иммобилизация клеток Е. coli на кислородном электроде дает биосенсор для измерения концентрации глутаминовой кислоты, а иммобилизация клеток Nitro-somonas
sp. и Nitrobacter
sp. на том же электроде — биосенсор на NH4+. На биосенсоре протекают следующие превращения: NH4+Nitrosomonas NO2 Nitrobacter NO3 Разработаны биосенсоры для быстрой регистрации концентрации глюкозы в крови больного, что особенно важно при диагностике диабета.
3. Биотехнология и медицина
Нет такого экспериментального подхода или исследовательского направления в биотехнологии, которые бы не получили применения в медицине. Вот почему столь многообразны связи между биотехнологией и самой гуманной из всех наук. Здесь мы остановимся лишь на основных моментах.
Антибиотики.
Антибиотики — это специфические продукты жизнедеятельности, обладающие высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов и к злокачественным опухолям, избирательно задерживающих их рост или полностью подавляющих развитие (Н. С. Егоров, 1979). Далеко не все из этих соединений, число которых приближается к 5000, допущены для применения в медицине. К важнейшим антибиотикам терапевтического назначения принадлежат следующие их классы (табл. 2).
Приведенные классы антибиотиков не исчерпывают их многообразия, список их пополняется с каждым годом. Причины неослабевающего внимания к поиску новых антибиотиков, как видно из табл. 10, связаны с токсичностью существующих антибиотиков, аллергическими реакциями, вызываемыми ими, нарастанием устойчивости патогенных микроорганизмов к применяемым препаратам и, помимо этого, с необходимостью изыскания средств борьбы с возбудителями, против которых недостаточно эффективны известные ныне антибиотики. Основные пути поиска включают:
1. Испытание новых продуцентов. Так, с начала 80-х годов исследуют миксобактерии, продуцирующие большое количество антимикробных агентов (Н. Thierbach, N. Reichenbach, 1981).
2. Химическая модификация антибиотиков. Противомикроб-ные макролиды токсичны для человека. Например, гептаен амфо-терицин В, используемый по жизненным показаниям при тяжелых микозах, вызывает необратимые поражения почек. Получены метиловые эфиры амфотерицина, менее токсичные и сохраняющие противогрибковую активность. При модификации пенициллинов и цефалоспоринов используют иммобилизованные ферменты.
Таблица 2. Важнейшие классы антибиотиков терапевтического назначения (по И Г.. Егорову, 1979; Д.Ланчини, Ф Паренти, 1985)
| Класс | Типичные антибиотики | Продуценты | На кого действует | Механизм действии | Трудности терапевтического применения |
| b-Лактамные | Пенициллины, це-фалоспорины | Грибы родов Реnicillium, Cephalosporum | Грамположитель-ные и грамотрицательные бактерии | Нарушение синтеза клеточной стенки | Аллергические реакции |
| Аминогликозидные | Стрептомицин, гентамицин, канамицин, тобрамицин, амикацин | Актиномицеты рода Streptomyces, бактерии родов Micromonospora. Bacillus | В основном грамотрицательные бактерии | Необратимое подавление синтеза белка | Токсическое действие на слуховой нерв и почки |
| Тетрациклины | Одноименные антибиотики | Актиномицеты рода Streptomyces | Грамположительные и грамотрицательные бактерии, риккетсии, хламидии, простейшие | Обратимое подавление синтеза белка | Распространение устойчивых штаммов |
| Макролиды | Антибактериальные: эритромицин Противогрибковые и антипротозойные: полиены | Актиномицеты рода Streptomyces То же | Грамположительные бактерии Грибы, некоторые простейшие | То же Нарушение плазматической мембраны | Токсичность |
| Полипептидные и депсипептидные | Полимиксины, грамицидины, бацитрацины | Различные микро-организмы | В основном грамотрицательные бактерии | Механизм действия различен | Высокая токсичность |
3. Мутасинтез. Применяют мутантные штаммы, у которых блокирован синтез отдельных фрагментов молекулы антибиотика. В среду культивирования вносят аналоги этих фрагментов. Микроорганизм использует эти аналоги для биосинтеза, в результате чего получают модифицированный антибиотик.
4. Клеточная инженерия. Получают гибридные антибиотики, например, с новыми комбинациями агликона и Сахаров.
5. Генетическая инженерия — введение в геном микроорганизма информации о ферменте, необходимом для модификации продуцируемого антибиотика, например его метилирования при помощи метилаз.
Важной задачей является повышение эффективности биосинтеза известных антибиотиков. Значительных результатов удалось добиться за десятилетия селекции штаммов-продуцентов с применением индуцированного мутагенеза и ступенчатого отбора. Например, продуктивность штаммов Penicillium по синтезу пенициллина увеличена в 300—350 раз. Определенные перспективы открываются в связи с возможностью клонирования генов «узких мест» биосинтеза антибиотика или в случае, если все биосинтетические ферменты кодируются единым опероном.
Многообещающим подходом служит инкапсулирование антибиотиков, в частности их включение в лигюсомы, что позволяет прицельно доставлять препарат только к определенным органам и тканям, повышает его эффективность и снижает побочное действие. Этот подход применим и для других лекарственных препаратов. Например, кала-азар, болезнь, вызываемая лейгшма-нией, поддается лечению препаратами сурьмы. Однако лечебная доза этих препаратов токсична для человека. В составе липосом препараты сурьмы избирательно доставляются к органам, пораженным лейшманией, — селезенке и печени.
Вместо антибиотика в организм человека может вводиться его продуцент, антагонист возбудителя заболевания. Этот подход берет начало с работ И. И.Мечникова о подавлении гнилостной микрофлоры в толстом кишечнике человека посредством молочнокислых бактерий. Важную роль в возникновении кариеса зубов, по-видимому, играет обитающая во рту бактерия Streptococcus mutans, которая выделяет кислоты, разрушающие зубную эмаль и дентин. Получен мутант Strept. mutans, который при введении в ротовую полость почти не образует коррозивных кислот, вытесняет дикий патогенный штамм и выделяет летальный для него белковый продукт.
Гормоны.
Биотехнология предоставляет медицине новые пути получения ценных гормональных препаратов. Особенно большие сдвиги произошли в последние годы в направлении синтеза пеп-тидных гормонов.
Раньше гормоны получали из органов и тканей животных и человека (крови доноров, удаленных при операциях органов, трупного материала). Требовалось много материала для получения небольшого количества продукта. Так, человеческий гормон роста (соматотропин) получали из гипофиза человека, каждый гипофиз содержит его не более 4 мг. В то же время для лечения одного ребенка, страдающего карликовостью, требуется около 7 мг соматотропина в неделю; курс лечения должен продолжаться несколько лет. С применением генноинже-нерного штамма Е. coli в настоящее время получают до 100 мг гормона роста на 1 л среды культивирования. Открываются перспективы борьбы не только с карликовостью, но и с низкорос-лостью — более слабой степенью дефицита соматотропина. Соматотропин способствует заживлению ран и ожогов, наряду с каль-цитонином (гормоном щитовидной железы) регулирует обмен Са2+ в костной ткани.
Инсулин, пептидный гормон островков Лангерганса поджелудочной железы, представляет основное средство лечения при сахарном диабете. Эта болезнь вызвана дефицитом инсулина и проявляется повышением уровня глюкозы в крови. До недавнего времени инсулин получали из поджелудочной железы быка и свиньи. Препарат отличался от человеческого инсулина 1—3 аминокислотными заменами, так что возникала угроза аллергических реакций, особенно у детей. Широкомасштабное терапевтическое применение инсулина сдерживалось его высокой стоимостью и ограниченностью ресурсов. Путем химической модификации инсулин из животных удалось сделать неотличимым от человеческого, но это означало дополнительное удорожание продукта.
Компания Eli Lilly с 1982 г. производит генноинженерный инсулин на основе раздельного синтеза Е. coli его А- и В-цепей. Стоимость продукта значительно снизилась, получаемый инсулин идентичен человеческому. С 1980 г. в печати имеются сообщения о клонировании у Е. сой гена проинсулина — предшественника гормона, переходящего в зрелую форму при ограниченном протеолизе.
К лечению диабета приложена также технология инкапсули-рования: клетки поджелудочной железы в капсуле, введенные однократно в организм больного, продуцируют инсулин в течение года.
Компания Integrated Genetics приступила к выпуску фолли-кулостимулирующего и лютенизирующего гормонов. Эти пептиды составлены из двух субъединиц. На повестке дня вопрос о промышленном синтезе олигопептидных гормонов нервной системы — энкефалинов, построенных из 5 аминокислотных остатков, и эндорфинов, аналогов морфина. При рациональном применении эти пептиды снимают болевые ощущения, создают хорошее
настроение, повышают работоспособность, концентрируют внимание, улучшают память, приводят в порядок режим сна и бодрствования. Примером успешного применения методов генетической инженерии может служить синтез р-эндорфина по технологии гибридных белков, описанной выше для другого пептидного гормона, соматостатина.
Значителен вклад биотехнологии и в промышленное производство непептидных гормонов, в первую очередь стероидов. Методы микробиологической трансформации позволили резко сократить число этапов химического синтеза кортизона, гормона надпочечников, применяемого для лечения ревматоидного артрита. При производстве стероидных гормонов широко используют иммобилизованные микробные клетки, например Arthrobacter globiformis, для синтеза преднизолона из гидрокортизона. Имеются разработки по получению гормона щитовидной железы тироксина из микроводорослей.
Интерфероны, интерлейкины, факторы крови.
Интерфероны выделяются клетками человека и животных в ответ на инфици-рование вирусами. Они обладают антивирусной активностью. Механизм действия интерферонов до конца не выяснен. Предполагается, в частности, что Интерфероны препятствуют проникновению вирусных частиц в клетку. Интерфероны стимулируют деятельность иммунной системы и препятствуют размножению клеток раковых опухолей. Все аспекты действия интерферонов важны с точки зрения их терапевтического применения.
Различают a-,
b-, g- и e-интерфероны, образуемые соответственно лейкоцитами, фибробластами соединительной ткани, Т-лимфоцитами и эпителиальными клетками. Наибольшее значение имеют первые три группы. Интерфероны состоят из 146—166 аминокислотных остатков, b - и g-интерфероны связаны с остатками Сахаров (гликозилированы). До введения методов генетической инженерии интерфероны получали из донорской крови — до 1 мкг неочищенного интерферона из 1 л крови, т. е. примерно одну дозу для инъекции.
В настоящее время a-, b- и g-интерфероны успешно получают с применением генноинженерных штаммов Е. coli, дрожжей, культивируемых клеток насекомых (Drosophila) и млекопитающих. Генно-инженерные интерфероны могут быть очищены с использованием моноклональных антител. В случае у- и р-интерферонов предпочтительно применение эукариотических продуцентов, так как прокариоты не гликозилируют белки. Некоторые фирмы, например Bioferon (ФРГ), используют не генноинженерные мутанты, а культивируемые in
vitro фибропласты человека.
Интерфероны используются для лечения болезней, вызываемых вирусами герпеса, бешенства, гепатитов, цитомегаловиру-сом, вирусом, вызывающим опасное поражение сердца, а также для профилактики вирусных инфекций. Вдыхание аэрозоля интерферонов позволяет предупредить развитие острых респираторных заболеваний. Несколько курьезной проблемой является то что интерфероны, в частности a-интерфероны, сами могут вызывать у пациентов простудные симптомы (насморк, повышение температуры и т.д.). Проблема побочного действия стоит особенно остро при длительном терапевтическом применении интерферонов, необходимом для лечения злокачественных опухолей.
Интерфероны оказывают лечебное воздействие на организм больных раком груди, кожи, гортани, легких, мозга, рассеянной миеломе и саркоме Капоци — два последних заболевания характерны для лиц, страдающих приобретенными иммунодефицитами (см. ниже). Интерфероны полезны также при лечении рассеянного склероза.
Методы генетической инженерии позволяют получать модифицированные Интерфероны. Антивирусная активность интерферонов варьирует при аминокислотных заменах (J. Werenne, 1983). Американская компания Cetus Corporation производит b-интер-ферон, в аминокислотной последовательности которого цистеин в положении 17 замещен на серии. Это приводит к повышению терапевтической активности препарата, так как предотвращает наблюдаемое in
vitro формирование неактивного димера b-интер-ферона за счет дисульфидных связей между остатками цистеина в положении 17. Определенные надежды возлагают на модификацию интерферонов путем получения гибридных молекул (Е. Д. Свердлов, 1984).
Интерлейкины—сравнительно короткие (около 150 аминокислотных остатков) полипептиды, участвующие в организации иммунного ответа. Интерлейкин-1, образующийся определенной группой лейкоцитов крови — макрофагами, в ответ на введение антигена стимулирует размножение (пролиферацию) Т-хелперов (субпопуляции Т-лимфоцитов), продуцирующих, в свою очередь, интерлейкин-2. Последний вызывает пролиферацию различных субпопуляций Т-лимфоцитов — Т-киллеров, Т-хелперов, Т-супрессоров, а также В-лимфоцитов, продуцентов антител. Под влиянием интерлейкина-2 из Т-лимфоцитов высвобождаются регуляторные белки — лимфокины, активирующие звенья иммунной системы; синтезируются также Интерфероны.
Интерлейкины, основные лечебные средства при иммунных расстройствах, получают путем клонирования соответствующих генов в Е. coll или культивирования лимфоцитов in
vitro. Английская компания Celltech Ltd и японская Sakyo Company предлагают синтезированный генноинженерными бактериями интерлей-кин-1 наряду с другим тюлипептидным агентом —фактором некроза опухолей -- для лечения ряда опухолевых заболеваний (В. Sikyta el al., 1986).
Получаемые биотехнологическим путем факторы свертывания крови, особенно фактор VIII (с помощью культивируемых клеток млекопитающих) и фактор IX (с помощью генноинженер-ного штамма Е. coli), необходимы для терапии форм гемофилии наследственной болезни, при которой кровь теряет способность свертываться. К числу ценных с клинической точки зрения факторов, полученных в биореакторах с культурами животных клеток, следует отнести фактор роста В-лимфоцитов, фактор активации макрофагов, Т-заместительный фактор, активатор тканевого плазминогена.
Моноклокальные антитела и ДНК-или РНК-пробы.
Моноклональные антитела — продукты В-гибридомных клеток — используют для диагностики различных заболеваний. Обладая высокой специфичностью действия, они обеспечивают идентификацию не только вида возбудителя, но и его серотипа. С помощью моноклональных антител можно тестировать различные гормоны, метаболиты, белковые факторы. Наиболее быстрый метод индикации основан на применении антител, иммобилизованных на мембранных электродах — аналогах ферментных биосенсоров. Они позволяют диагностировать беременность, выявлять предрасположенность к диабету, ревматоидному артриту (J. Col-lins et al., 1986), идентифицировать наследственные заболевания, сопровождающиеся утратой тех или иных ферментов и других белковых компонентов. Моноклональные антитела широко используют для диагностики рака и определения его форм.
Трудности связаны с тем, что специфических «раковых» антигенов, по-видимому, не бывает, и характерные для злокачественно переродившейся клетки детерминанты могут быть с некоторой, пусть небольшой, вероятностью обнаружены и в здоровых клетках. Перспективна диагностика рака при помощи моноклональ-ных антител к вырабатываемым злокачественной опухолью особым гормонам, аутокринам, ведущим к самостимуляции роста раковых клеток.
Моноклональные антитела имеют не только диагностическое, но и лечебное значение. При аутоиммунных заболеваниях, когда иммунные клетки «ополчаются» против собственных органов и тканей, моноклональные антитела соответствующей специфичности могут связывать антитела, наносящие вред организму больного. Для лечения рака предлагают использовать моноклональные антитела, конъюгированные с токсичными для раковых клеток соединениями. Моноклональные антитела доставляют яд точно по адресу, избегая поражения здоровых клеток. Поэтому к моноклональным антителам можно присоединять очень сильные токсины, например рицин — яд из клещевины, одной молекулы которого достаточно для поражения одной клетки. В современной фармацевтической промышленности моноклональные антитела используют для очистки лекарственных препаратов.
Диагностическое значение имеют короткие фрагменты ДНК и РНК, несущие радиоактивную или иную метку, так называемые ДНК/РНК-пробы. С их помощью можно установить наличие в организме определенных типов нуклеиновых кислот, соответствующих болезнетворным агентам, злокачественным опухолям, а также проверить геном пациента на наличие у него тех или иных генетических аномалий. Метод основан на комплементарном взаимодействии проб с участками ДНК или РНК, выделенными из исследуемых клеток и фиксированными на носителе. Взаимодействия нуклеотидных цепочек пробы с ДНК (РНК) из образца регистрируют по радиоактивной метке или иным способом.
Моноклональные антитела и ДНК/РНК-пробы используют для диагностики болезней животных и растений. В частности, с помощью этих проб проводят индикацию зараженности картофеля вирусом. Диагностические средства из арсенала биотехнологов предлагают применять для быстрого определения пола у цыплят.
Рекомбинантные вакцины и вакцины-антигены.
Вакцинация — один из основных способов борьбы с инфекционными заболеваниями. Путем поголовной вакцинации ликвидирована натуральная оспа, резко ограничено распространение бешенства, полиомиелита, желтой лихорадки. На повестке дня — изготовление вакцин против гриппа, гепатитов, герпесов, свинки, кори, острых респираторных заболеваний. Большое экономическое значение имеет разработка вакцин против болезней сельскохозяйственных животных — ящура, африканской болезни лошадей, овечьей бо-
лезни «синего языка», трипаносомозов и др. Традиционные вакцинные препараты изготовляют на основе ослабленных, инактивиро-ванных или дезинтегрированных возбудителей болезней.
Современные биотехнологические разработки предусматривают создание рекомбинантных вакцин и вакцин-антигенов. Вакцины обоих типов основаны на генноинженерном подходе.
Для получения рекомбинантных вакцин обычно используют хорошо известный вирус коровьей оспы (осповакцины). В его ДНК встраивают чужеродные гены, кодирующие иммуногенные белки различных возбудителей (гемагглютинин вируса гриппа, гликопротеин D вируса герпеса, поверхностный антиген вируса гепатита В, антиген малярийного плазмодия). Получаются вакцины против соответствующих инфекций, хорошо зарекомендовавшие себя в опытах на животных. К их достоинствам относится возможность создания поливалентных вакцинных препаратов на основе объединения участков ДНК различных патогенов «под эгидой» ДНК вируса осповакцины. Открывается возможность одномоментной комплексной иммунизации, скажем, крупного рогатого скота против всех опасных инфекций данной местности.
Вакцины-антигены получают, клонируя гены возбудителя болезни в Е.
colt, дрожжах, клетках насекомых и млекопитающих. Клонирован ген поверхностного антигена HBS-вируса гепатита В (сывороточного гепатита), ген белка оболочки УРЬвируса ящура. Вирус ящура существует в виде многих серотипов, методом белковой инженерии удалось скомбинировать иммуногенные компоненты различных серотипов в рамках одной вакцины-антигена.
Вакцины-антигены высокостабильны при хранении и перевозке, сравнительно просты в изготовлении (в том числе и при крупномасштабном производстве), содержат минимальное количество белка и поэтому малоопасны как аллергены. Они гарантированы от остаточной инфекционности — способности вызывать инфекционную болезнь вместо того, чтобы предохранять от нее. Проблемой является низкая иммуногенность вакцин-антигенов. Одной из причин может быть то, что вакцина не включает всех компонентов возбудителя, необходимых для создания иммунитета к нему. Так, вирус, покидая клетку, часто «одевается» ее мембраной. Компоненты этой мембраны, отсутствующие в генноинженерном белке, могут обладать иммуноген-ными свойствами. К повышению иммуногенности вакцин-антигенов ведет добавление адьювантов, иммобилизация вакцин на носителях или их включение в липосомы.
Ферменты медицинского назначения.
Многообразно применение ферментных препаратов в медицине. Их используют для растворения тромбов, лечения наследственных заболеваний (вместо отсутствующих эндогенных ферментов), удаления не-
жизнеспособных, денатурированных структур, клеточных и тканевых фрагментов, освобождения организма от токсических веществ (Н. Ф. Казанская и др., 1984). Яркий пример-спасение жизни больных с тромбозом конечностей, легких, коронарных сосудов сердца при помощи громболитически.х ферментов (стрсптокиназы, урокиназы). В СССР такие препараты созданы в иммобилизованной форме под руководством Е. И. Чазова и И. В. Березина. Ген урокнназы клонирован в бактериях (S. Prentis, 1984). В современной медицине протеазы применяются для очистки очагов гнойно-некротических процессов от патологических продуктов, а также для лечения ожогов Лечение рака связано с использованием L-аспарагиназы, кото рая лишает раковые клетки ресурсов необходимого для их раз вития аспарагина, поступающего с током крови. Здоровые клетки в отличие от раковых (некоторых типов) способны к самостоятельному синтезу аспарагина.
Известно около 200 наследственных заболеваний, обуслов ленных дефицитом какого-либо фермента или иного белкового фактора. В настоящее время делают попытки лечения этих заболеваний с применением ферментов. Так, пытаются лечить болезнь Готе, при которой организм не способен расщеплять, глюкоцереброзиды (S. Prentis, 1984).
В последние годы все больше внимания уделяют ингибиторам ферментов. Ингибиторы протеаз, получаемые из актино мицетов (лейпептин, антипаин, химостатин и др.) и генноинже нерных штаммов Е.
coil (эглин) и дрожжей a-1 антитрипсин) оказываются полезными при септических процессах, инфаркте миокарда, эмфиземе легких, панкреатите. Уменьшение концентрации глюкозы в крови больных диабетом может быть достигнуто при исполь зовании ингибиторов кишечных инвертаз и амилаз, отвечающих за превращение крахмала и сахарозы в глюкозу. Особой задачей является поиск ингибиторов ферментов, с помощью которых патогенные микроорганизмы разрушают антибиотики, вводимые в организм больного.
Таковы основные направления биотехнологических разработок в области медицины. Без преувеличения можно сказать что центральное приложение новейших биотехнологических подходов — медицина. Одной из проблем, связанных с белками медицинского назначения, является наличие у них побочных эффектов. Например, аллергические реакции возникают как против генноинженерных белков, так и против моноклональных антител, даже если их получают на основе человеческих гибридом. Эта проблема не нова для медицины и не является непреодолимой.
4. Биотехнология и пищевая промышленность
Микроорганизмы, культуры растительных клеток могут дать пищевые добавки, выгодно отличающиеся своей «натуральностью» от синтетических продуктов, преобладающих в настоящее время. В будущем кулинар сможет добавить в изделие аромат земляники или винограда, масло чеснока или мяты — продукты, образуемые в биореакторах с растительными клетками.
Все большее значение приобретают низкокалорийные, не опасные для больных диабетом заменители сахарозы, в первую очередь фруктоза — продукт превращения глюкозы при участии иммобилизованной глюкоизомеразы. В некоторых продуктах применяют глицин, дающий в комбинации с аспарагиновой кислотой различные оттенки сладкого и кислого. Планируют пищевое применение очень сладкого дипептида аснартама и особенно 100—200-звенных пептидов тауматина и монеллина, которые слаще сахарозы в 10 тыс. раз. В виде мультимера аспартам получен с помощью генноинженерных мутантов Е. coli, недавно клонирован также ген тауматина.
Немаловажную роль играют ныне в пищевой промышленности ферменты. С их помощью осветляю! фруктовые соки, производят безлактозное (диетическое) молоко, размягчают мясо. Большие возможности в плане повышения питательной ценности представляет добавление в продукты питания витаминов и аминокислот. Ряд аминокислот производят с применением микробов-сверхпродуцентов, полученных с применением методов генетической инженерии. Так, генноинженерный штамм E. coli синтезирует до 30 г/л L-треонина за 40 ч культивирования. Важный аспект биотехнологии — улучшение штаммов промышленных микроорганизмов. Основные приложения биотехнологии к пищевой промышленности суммированы в табл. 3.
Биомасса одноклеточных в перспективе может употребляться как пищевая добавка. Основные принципы получения белка в пищу те же, что и для производства кормового белка, однако крут допустимых субстратов более ограничен, в требования к компонентному составу биомассы более жесткие. В пищевой биомассе должно содержаться не менее 80% белка сбалансированного аминокислотного состава, не более 2% нуклеиновых кислот и 1% липидов (М. Г. Безруков, 1985). Необходимы детальные токсикологические и медико-биологические исследования с последующим клиническим испытанием пищевых препаратов биомассы (В. Г. Высоцкий, 1985)
Психологический барьер, на который наталкивается произ водство «микробной пиши» в странах Европы и Японии, связан не только с прямым риском подвергнуться интоксикации, но и с сомнительными вкусовыми достоинствами этой «пищи будущего». Эксперт по проблемам питания, попробовав образец бактериальной биомассы, заметил: «Она имеет все те свойства, которыми должна обладать новая человеческая пища: не имеет ни запаха, ни цвета, ни структуры, ни вкуса».
Остается выразить надежду на то, что в эпоху, когда белок одноклеточных войдет в употребление, биотехнология сможет в полной мере использовать созданный ею же потенциал растительных и микробных клеток как продуцентов вкусовых, ароматизирующих и структурирующих пищу добавок. Перспективным представляется культивирование грибов (Fusarium), цианобак-терий (Spirulina), зеленых водорослей (
Chlorella, Scenedesmus), имеющих консистенцию и другие органолептические свойства, более привычные для человека. Волокнистую массу Fusarium на базе картофельного или пшеничного крахмала как источник пищи для человека производит ныне компания Rank Hovis Me. Dougall.
Таблица 3. Перспективы использования биотехнологических продуктов в пищевой промышленности (по П. П. Клесову, 1984; М. Haas, 1984; J. Kas, 1984; О. Volfova, 1984; О. Sahai, M. Knuth, 1985)
| Продукт | Примеры | Применение в пищевой промышленности |
| Аминокислоты | Цистеин, метионин, лизин | Повышение питательной ценности пищи (в том числе белка одноклеточных) |
| Глутамат | Усиление аромата мясных, рыбных, грибных изделий | |
| Глицин, аспартат | Придание кондитерским изделиям и напиткам кисло-сладкого вкуса | |
| Олигопептиды | Аспартам, тауматин, монеллин | Низкокалорийные, очень сладкие вещества |
| Ферменты | a-Амилаза | Гидролиз крахмала при производстве спирта, вин, в пивоварении, хлебопечении, изготовлении кондитерских изделий и детского питания |
| Глюкоамилаза | Получение глюкозы, удаление остаточных декстринов из пива | |
| Инвертаза | Производство кондитерских изделий | |
| Пуллуланаза | Производство мальтозных (в сочетании с a-амилазой) или глюкозных (в сочетании с глюкоамилазой) сиропов из крахмала, предварительно обработанного a-амилазой | |
| b-Галактози-даза | Производство безлактозного молока, освобождение молочной сыворотки от лактозы, приготовление мороженого | |
| Целлюлозы | Приготовление растворимого кофе, морковного джема, улучшение консистенции грибов и овощей, обработка цитрусовых | |
| Пектиназы | Осветление вин и фруктовых соков, обработка цитрусовых | |
| Микробные протеазы | Сыроварение, ускорение созревания теста, производство крекеров | |
| Пепсин, па-паин | Осветление пива | |
| Фицин, трипсин, бромелаин | Ускорение маринования рыбы, удаление мяса с костей | |
| Липазы | Придание специфического аромата сыру, шоколаду, молочным продуктам, улучшение качества взбитых яичных белков | |
| Глюкозооксидаза в сочетании с каталазой | Удаление кислорода из сухого молока, кофе, пива, майонезов, лимонных, апельсиновых и виноградных соков | |
| Витамины | А, В1, В2, В6, В12, С, D, Е, никотиновая кислота С, Е | Повышение питательной ценности пищевых продуктов Антиоксиданты |
| Терпены и родственные соединения | Гераниол, нерол | Ароматизаторы |
| Органические кислоты | Уксусная, бен-зойная, молочная, глюконовая, лимонная | Консерванты, ароматизаторы |
5. Биогеотехнология
Приложения биотехнологии к добыче, обогащению и перераработке руд, отделению и концентрированию металлов из сточных вод как вторичного сырья, экстракции остаточных порций нефти из иссякающих месторождений относятся к области биогео-технологии. Большую роль в этих процессах играют микроорганизмы, способные жить в недрах Земли и осуществлять там химические превращения.
Способностью переводить металлы в растворимые соединения (выщелачивание металлов из руд) обладают различные бактерии. Например, Thiobacillus ferrooxydans выщелачивает железо, медь, цинк, уран и другие металлы, окисляя их серной кислотой, которая образуется этой бактерией из сульфида (Г. И. Ка-равайко, 1984). Chromobacterium violaceum растворяет золото по схеме Au-vAu(CN)2 (A. D. Smith, R. J. Hunt, 1985). Технологии подобных процессов подкупают своей простотой: для извлечения остатков меди, урана, никеля из «пустых пород» горнорудного производства их обливают водой и собирают вытекающие продукты жизнедеятельности микроорганизмов — растворимые соединения (CuSO4, UO|+ и т. д.). Метод бактериального выщелачивания позволяет рассматривать разработку бедных месторождений как экономически выгодное предприятие. В США бедные никелевые руды, содержащие всего около 1 кг Ni на 1 т породы, предполагают «выдать на гора» с применением бактериального выщелачивания.
Если речь идет об извлечении металлов из сточных вод, то большое значение придается таким микроорганизмам, как Citrobacter
sp. (L. Е. Macaskie, А. С. R. Dean, 1985), Zoogloea ramigera, клетки и внеклеточные полисахариды которой извлекают U, Си, Cd (Г. И. Каравайко, 1984). Велика хелирующая способность грибной биомассы, что, учитывая сравнительную дешевизну ее наработки в больших количествах, открывает
перспективы не только для концентрирования металлов (РЬ, Hg, Zn, Cu, Ni, Co, Mn, Cr, Ag, Au, Pt, Pd) из растворов, где они присутствуют в следовых количествах (Г'. И. Каравайко, 1984), но и для освобождения растворов от радиоактивных примесей (дезактивации).
Ксантан, внеклеточный полисахарид бактерии Xanthomonas campestris, может применяться для извлечения нефти из иссякающих месторождений. Остаточные порции нефти обычно адсорбируются на различных породах, содержащихся в нефтеносных пластах, и не вымываются из них водой. Раствор ксантана в воде обладает, однако, высокой вязкостью и при закачке в пласты под повышенным давлением высвобождает капли нефти из всех трещин и углублений нефтеносных пород (S. Prentis,
1984). Бактерии-деэмульгаторы, например Nocardia
sp, Rhodoco-сеик rhodochrous, разделяют водную и нефтяную фазы, что может быть использовано как для конценгрирования нефти, так и для очистки сточных вод от нефтяных примесей, создающих угрозу для окружающей среды.
Пересечение различных сфер приложения биотехнологии (в нашем примере — биогеотехнологической и природоохранной) составляет характерную особенность ее современного этапа развития. Генноинженерные штаммы псевдомонад, утилизирующие сырую нефть, допускают, по меньшей мере, две сферы применения: получение биомассы на базе необ работанной нефти и предотвращение нефтяного загрязнения окружающей среды, в частности устранения нефтяных пленок на поверхности вод морей и океанов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Нет сомнения, потенциал биотехнологии в наши дни велик. Ей дано — пусть в определенных границах — перевивать поновому «нить жизни» — ДНК — методами генетической и клеточной инженерии, создавать биообъекты по заранее заданным параметрам и, как обычно добавляют, на благо человечества.
Всегда ли на благо? Думается, что уже из основного текста ясно: что накопленный разносторонний потенциал современной биотехнологии — это обоюдоострый меч, который, подобно другим новым отраслям научно-технического прогресса, сформировавшимся в XX в. (ядерная энергетика, компьютерная электроника, космонавтика), может принести не только пользу, но и вред при бесконтрольном, неосторожном и тем более злонамеренном применении. Так, в распространении методов генетической инженерии видели угрозу заражения людей невиданными болезнетворными «генетическими монстрами», создания новых разновидностей злостных сорняков и даже выведения «стандартных людей» по заранее заданным программам. Потенциальную угрозу, заключающуюся в развитии биотехнологии, нельзя ни преувеличивать, ни преуменьшать, она в значительной мере определяется не чисто научно-техническими, а этическими и социально-политическими факторами. Как отмечено в материалах XXVII съезда КПСС, в разных общественно-политических системах научно-техническая революция оборачивается разными ее гранями и последствиями.
Биотехнология представляется «страной контрастов», сочетания самых передовых достижений научно-технического прогресса с определенным возвратом к прошлому, выражающимся в использовании живой природы как источника полезных для человека продуктов вместо химической индустрии.
Значительные контрасты характерны для биотехнологии и в отношении необходимых для ее развития финансовых средств, сырьевых материалов и кадров. Есть биотехнологические разработки, требующие весьма внушительных капиталовложений, концентрации усилий крупных коллективов научных работников, инженерно-технических и управленческих кадров, дорогостоящего сырья и оборудования (многие генноинженерные разработки, биотехнологические процессы с применением автоматизированных систем управления). Это так называемая «большая
биотехнология». Ей противостоит «малая биотехнология» (получение биогаза, выращивание микроводорослей в прудах), обходящаяся во многом даровыми источниками энергии и сырья, низкими капиталовложениями, небольшими затратами труда.
Все направления современной биотехнологии должны служить всему человечеству, а не только тем, кто способен финансировать развитие той или иной отрасли. В частности, развивающиеся страны должны получить доступ к «большой биотехнологии», которая им пока во многом «не по карману». Генно-инженерная вакцина против малярии необходима для стран Африки, где от малярии погибает более миллиона детей в год. Но могут ли развивающиеся страны Африки финансировать массовое производство генно-инженерных вакцин? Настоятельной необходимостью является международная координация усилий биотехнологов, всех заинтересованных стран. В рамках государств — участников СЭВ такая координация предусмотрена в Комплексной программе научно-технического прогресса, рассчитанной на период до 2000 г.
Биотехнология — междисциплинарная область научно-технического прогресса. Она весьма гетерогенна по своему теоретическому базису, потому что призвана исследовать не какой-либо класс объектов, а решать определенный круг комплексных проблем. Одной из них является, например, поиск дешевого заменителя тростникового (свекловичного) сахара, и армия биотехнологов берется за дело, сочетая в своей деятельности элементы различных наук: методы микробиологии, необходимые для выращивания микроорганизма, биохимии — для выделения глюкоизомеразы (дающей глюкозо-фруктозный сироп при использовании глюкозы как субстрата), органического синтеза— для получения полимерного носителя, а при регулировке параметров системы с иммобилизованным ферментом необходимы физико-химические расчеты. Можно добавить еще, что для повышения эффективности биосинтеза глюкоизомеразы могут быть использованы методы генетической и клеточной инженерии.
Круг вопросов, к решению которых привлекают биотехнологические разработки, весьма широк. Однако большинство из них прямо или косвенно связано с глобальными проблемами, стоящими перед современной цивилизацией: загрязнение окружающей среды, угроза экологического кризиса; истощение запасов полезных ископаемых, в первую очередь источников энергии, угроза мирового энергетического кризиса; нехватка продовольствия, особенно ощутимая в развивающихся странах.
Слова «биология» и «биотехнология» различаются лишь тем, что в слове «биотехнология» есть вставка «техно». И биология, и биотехнология имеют дело с живыми объектами, но как различны их подходы к живому! Биотехнолог изучает живое не из чисто познавательного интереса, он пытается «заставить» работать живые объекты, производить нужные человеку продукты. «Зачем брать на себя труд изготовления химических соедине-
ний, если микроб может сделать это за нас?», — говорил Дж. Б. С. Холдейн еще в 1929 г., предвосхищая грядущий расцвет биотехнологии. В современной биотехнологии живое рассматривается как средство производства в ряду всех прочих средств; например, при биологической трансформации органических соединений микроорганизмам отводят роль химических реагентов. Не случайна и стандартная для инженерной энзи-мологии метафора, уподобляющая иммобилизованные биообъекты «закованным в цепи рабам». Биообъект, таким образом, понижают в ранге, переводя из категории самостоятельной целостной живой системы в категорию реагентов, датчиков, реле, компьютерных деталей, прочих орудий модернизированного производства.
Эта тенденция современной биотехнологии имеет не только философское, но и практическое значение. Она порождает чересчур грубый, примитивный, чисто эмпирический подход к такому сложному объекту, как живое, что ведет к его низкоэффективному функционированию в условиях биотехнологического процесса. Не оправдал себя, в частности, лобовой метод оптимизации подобного процесса, оптимизация «грубой силой», проводимый без детальных знаний физиологии используемого организма. Недостаточно надежен в биотехнологии и метод кибернетического моделирования, упрощающий биологический объект до «черного ящика».
Существует и другая тенденция в биотехнологии. Ее приверженцы относятся с «пониманием» к тонкости и слаженности систем регуляции процессов жизнедеятельности в клетке биообъекта. В полушутливой форме эти мысли выражены журналистом и популяризатором биотехнологии Фишлоком в предисловии к книге «Биотехнологический бизнес» (1982): «Микробы намного умнее и способнее микробиологов, генетиков и инженеров». Речь нередко идет о повышении ранга биообъекта в биотехнологии.
Описанные особенности подхода биотехнологии к объекту выделяют ее среди традиционных естественно-научных дисциплин.
Биотехнология — типичное порождение нашего бурного, динамичного XXI в. Она открывает новые горизонты перед человеческим разумом. Проблемы биотехнологии чрезвычайно многообразны, начиная от чисто технических (например, снижение каталитической активности ферментов при их иммобилизации) и кончая тонкими интеллектуальными проблемами, связанными с обеднением фундаментальной науки в связи с доминированием чисто проблемно-прикладных разработок.
В условиях социализма открываются широкие перспективы и возможности для использования новых научных исследований и разработок на благо человека и общества.
Список используемой литературы.
- ''Биотехнология: свершения и надежды'' – Сассон А., Москва, «Мир» 1987г.
- ''Биотехнология проблемы и перспективы'' – Егоров Н.С., Москва, «Высшая школа» 1987г.
- ''Биотехнология: что это такое?'' Вакула В.Л., Москва, «Молодая гвардия» 1989г.
